賈 兵，趙永久，賀 穎

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇南京210016)

0 引言

近年來，技術(shù)上較成熟的功率合成結(jié)構(gòu)多是基于傳統(tǒng)的3 dB波導(dǎo)電橋［1］多級合成原理，可以得到較高的毫米波功率輸出。但當(dāng)合成級數(shù)增加時，合成網(wǎng)絡(luò)損耗將成倍增加，相應(yīng)的合成效率將大幅下降，在合成級數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，將難以有效地提高固態(tài)毫米波功率輸出。

基于波導(dǎo)的鏈?zhǔn)焦β屎铣墒且环N較好的選擇，在波導(dǎo)縱向分出多路微帶支路實(shí)現(xiàn)功率分配，避免了波導(dǎo)截面尺寸對放大單元數(shù)目的限制，而且各集成傳輸線支路分散排列的方式，為大功率固態(tài)器件集成提供了較好的散熱通道，有利于功率器件性能發(fā)揮。文獻(xiàn)［2］對鏈?zhǔn)焦β屎铣山Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了較全面的分析，本文在此基礎(chǔ)上提出了一種新穎的功率分配合成結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)降低了加工的難度，并且擴(kuò)展了工作帶寬，提高了功率合成效率。

1 鏈?zhǔn)焦β屎铣?/h2>

一些學(xué)者已經(jīng)對鏈?zhǔn)焦β屎铣山Y(jié)構(gòu)［3］進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［4，5］中的功率分配合成結(jié)構(gòu)是通過同軸探針深入波導(dǎo)中進(jìn)行能量的耦合來實(shí)現(xiàn)的;文獻(xiàn)［6］中提出了用波導(dǎo)—微帶探針過渡的形式，但該結(jié)構(gòu)是一個諧振結(jié)構(gòu)，帶寬較窄;文獻(xiàn)［7，8］是通過波導(dǎo)開槽結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)能量的耦合。本文是基于文獻(xiàn)［2］中提出的功率分配合成結(jié)構(gòu)，通過伸入波導(dǎo)E面的微帶探針來實(shí)現(xiàn)每一級能量的耦合，并通過每一級耦合結(jié)構(gòu)后面的容性膜片來實(shí)現(xiàn)各級探針的阻抗匹配，在帶寬、合成效率和插入損耗等方面都有很好的表現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)是在X頻段提出的，如果將其應(yīng)用在Ka波段甚至更高的頻率，由于匹配膜片的存在，這種結(jié)構(gòu)的加工就變的比較困難了，在毫米波頻段，匹配膜片的尺寸將變的很小，其尺寸略微變化就將引起結(jié)果的劇烈惡化。改進(jìn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，避免了膜片的使用，而是用階梯波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，這樣的結(jié)構(gòu)使四路功率分配器輸出端口得到的結(jié)果幅度一致性更好，帶寬也更寬。

圖1 階梯波導(dǎo)鏈?zhǔn)焦β史峙浜铣山Y(jié)構(gòu)

2 原理分析

基于波導(dǎo)的鏈?zhǔn)焦β屎铣山Y(jié)構(gòu)是在輸入波導(dǎo)中沿著電磁波傳播方向插入多個無反射的耦合結(jié)構(gòu)，每個耦合結(jié)構(gòu)都可以從輸入波導(dǎo)耦合出一定比例的能量，耦合出的能量經(jīng)過放大器放大后進(jìn)入輸出波導(dǎo)，最終在波導(dǎo)輸出端口合成輸出。

這種結(jié)構(gòu)可以看作2個背靠背連接的功率分配結(jié)構(gòu)，每一個分配結(jié)構(gòu)又可以等效為3個三端口網(wǎng)絡(luò)和1個二端口網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)，每個三端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)應(yīng)該為:

最后一階結(jié)構(gòu)是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，它對應(yīng)的S參數(shù)為

下面用信號流圖對功率分配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以便了解每個三端口/二端口網(wǎng)絡(luò)本身的性能對整體結(jié)構(gòu)的影響。為簡化分析，下面對一個二階結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該結(jié)構(gòu)由一個三端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)一個二端口網(wǎng)絡(luò)而成，如圖2所示。

圖2 2階結(jié)構(gòu)信號流

最終分析結(jié)果如下:

此外可以求得:

在S44不是足夠小的頻率點(diǎn)上，由S11和S31S44S13這2項組成，如果這2項相位差接近180°，則會減小;如果相位差接近于0°，則會增大

同樣道理，在S44不是足夠小的頻率點(diǎn)上，由S21和S31S44S23這2項組成，如果這2項相位差接近180°，則會減小;如果相位差接近于0°，則會增大

3 建模與分析

3.1 4路功率分配結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上的原理介紹，使用HFSS對提出的功率分配結(jié)構(gòu)(圖1所示結(jié)構(gòu)的一半)建模，并進(jìn)行仿真優(yōu)化。因為功率4路分配結(jié)構(gòu)可以看成3個三端口網(wǎng)絡(luò)和1個二端口網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)，由式(1)、式(2)和式(3)可求出每一級結(jié)構(gòu)的耦合度，如表1所示。

表1 各級三端口網(wǎng)絡(luò)耦合系數(shù)

根據(jù)表1，先對每一級三端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真，當(dāng)每一級結(jié)構(gòu)都優(yōu)化完成后，再將各級結(jié)構(gòu)級聯(lián)起來進(jìn)行微調(diào)。在該功率合成結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對于最后一級結(jié)構(gòu)，當(dāng)平面探針橫跨整個波導(dǎo)時，得到的結(jié)果會更好，仿真的最終結(jié)果如圖3所示。

由仿真結(jié)果看出，該4路功分結(jié)構(gòu)的帶寬很寬，為28.5～36 GHz，回波損耗＜－15 dB，各耦合端口幅度平衡度在29.5～35.5 GHz為時±0.25 dB，相比于文獻(xiàn)［2］中4 GHz的幅度平衡度為±0.5 dB的帶寬，這種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了良好的性能。

圖3 四路功率分配結(jié)構(gòu)S參數(shù)曲線

3.2 4路功率合成結(jié)構(gòu)設(shè)計

將2個功率分配結(jié)構(gòu)背對背連接起來就構(gòu)成了一個功率分配合成結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 4路功率合成結(jié)構(gòu)S參數(shù)曲線

從仿真結(jié)果可看出，該結(jié)構(gòu)的反射信號上有很多波峰，這對整個結(jié)構(gòu)的工作帶寬有很大的影響，在文獻(xiàn)［2］中對這種現(xiàn)象給出了解釋。下面用信號流的形式對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖5所示，其中Lx表示連接三端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸線的長度，Ly表示連接輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的傳輸線長度。

圖5 用信號流圖表示功率分配合成結(jié)構(gòu)

正常的合成路徑是:

這4個路徑的信號最終在輸出端口同相合成。但是由于任何無源的三端口網(wǎng)絡(luò)不能同時實(shí)現(xiàn)無耗、互易和各個端口的匹配，在文中每個三端口網(wǎng)絡(luò)只有在輸入端是匹配的，即在端口1、6、11和16是匹配的，在功率合成結(jié)構(gòu)中端口2、3、7、8、12 和13 都存在反射波，這些反射波的影響造成了反射信號上波峰的存在?，F(xiàn)在對功率合成結(jié)構(gòu)中端口2和3進(jìn)行分析，其他端口類似，端口2和端口3的反射波分別為:

為了保證背對背結(jié)構(gòu)的對稱性，必須使每級耦合結(jié)構(gòu)間的波導(dǎo)長度相等，同時也必須滿足Ly2=Ly3，Ly1=Ly4，于是式(14)和式(15)簡化為:

由式(16)和式(17)可看出，當(dāng)功率分配結(jié)構(gòu)確定后，只有分別調(diào)整Ly2跟Ly1的值，才可能使各個端口的反射波在一定的頻帶內(nèi)相互抵消，本文在Ly2和Ly3上加了一段圓弧，并對圓弧進(jìn)行仿真優(yōu)化，最后得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的背對背結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可看出，該4路功分結(jié)構(gòu)在28～35.5 GHz，回波損耗 ＜ －15 dB，插入損耗不大于0.9 dB，與幅度平衡度為±0.25 dB的等功率功分帶寬29.5～35.5 GHz相對應(yīng)，展現(xiàn)了較寬的帶寬，驗證了該功率分配合成結(jié)構(gòu)的可行性。如果將匹配良好的放大器置于連接輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)的微帶傳輸線上，放大器的存在將會消除來自輸出波導(dǎo)的反射信號，從而減小反射信號的波峰，這將會使該背對背結(jié)構(gòu)的－15 dB帶寬擴(kuò)展到整個頻帶。

4 結(jié)束語

提出了一種新穎的工作于Ka波段的波導(dǎo)鏈?zhǔn)焦β史峙浜铣山Y(jié)構(gòu)，具有工作頻帶寬、合成效率高和易加工的優(yōu)點(diǎn)。在對功率分配結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真建模時，多個不同的尺寸組合都可以達(dá)到相同的效果，這里要選擇一種有較強(qiáng)誤差容忍度的組合。雖然設(shè)計的是工作于Ka波段四路的功率合成結(jié)構(gòu)，但同樣可以用于其他頻段多路功率合成的結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中。該結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的基于波導(dǎo)的鏈?zhǔn)焦β屎铣山Y(jié)構(gòu)的不足，在多級功率合成中有著重要應(yīng)用價值，在毫米波功率合成中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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